智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC DA服务器和用户界面组成。 无线传感器网络采用星型结构，网络节点由LED灯组成并控制。 无线网络中的基站通过RS232连接到PC中的OPC DA服务器。 OPC服务器将设备状态传输给用户界面，并将接收到的控制命令发送给无线网络节点。 利用无线模块模拟构建智能照明控制系统。 运行结果表明系统具有良好的可扩展性。

智能照明控制在我国具有巨大的发展潜力和重要的现实意义。 本文结合无线传感器网络、OPC通信和照明控制技术，设计智能照明控制系统，实现灯具的自动控制，提高系统管理水平。

1 系统方案概述

本文中的智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC服务器和用户界面三部分组成。

底层无线网络采用星型结构，包括一个基站和多个从站。 其中，从站与受控的LED灯相连，将灯的状态信息传输给基站。 基站通过RS232与PC相连，将接收到的控制命令发送给从站。 该系统采用单片机和无线射频模块组成工作无线网络节点，两者通过SPI串口连接。

图1 节点结构

上位机有专门开发的OPC DA服务器。 OPC技术用于OPC服务器与组态软件中开发的用户界面之间的通信，无线网络中基站之间采用RS232串行通信。 OPC服务器负责将用户下发的控制命令传输到无线网络中的基站，并将基站传输的设备状态上传到用户界面显示。

组态软件开发的用户界面，可实时准确显示设备状态，可实现LED灯的组合控制、温度控制、PWM控制、定时控制和运行记录等功能。

图2 系统框图

2 系统软件设计

2.1 无线传感器网络设计

无线传感器网络是由一些低功耗、低成本、小体积的传感器节点和无线通信组成的网络。 它集成了传感器技术、信息处理技术、嵌入式技术和网络通信技术，实现信息的采集、处理、传输和应用，具有建设成本低、系统扩展性好、运维方便等优点。 本系统的无线网络结构设计如下：

1）网络拓扑

系统的无线网络采用星型结构，有基站和从站两类节点。 基站与各个从站之间进行双向通信，从站之间不进行通信。 网络中的每个节点都有一个ID地址，有接收和发送两种状态，默认处于接收状态。

2）MAC层协议

为避免多个从站同时向基站发送信息造成信道冲突，且照明系统对控制时延要求不高，网络MAC层采用非持久性CSMA/CA协议。 节点在通信前先通过载波检测引脚CD监测信道是否空闲，如果空中有同频信号，CD自动置高。 如果信道繁忙，节点会随机延迟一段时间，然后重新监听。

当信道空闲时，节点不会立即发送，而是采用一定的退避机制来最小化信道冲突的概率。 因为当一个从站完成与基站的通信后，可能会有多个从站要发送数据同时监听信道空闲。 此时信道冲突的可能性最大，所以节点随机退避一段时间再发送。

这里使用二进制指数退避算法BEB，竞争周期（即从发送数据到接收信道冲突的时间）为2t，每站重传次数为N，从整数集[0,1 ,...,(2N-1 )]随机选择一个数，记为R。节点重传产生的时延D为R乘以2t，即D=R×2t。

如果站点在发送前检测到信道空闲，它会立即启动退避计数器。 只要通道空闲，退避计数器就会递减。 如果在退避过程中检测到通道被占用，则退避计数器暂停，计数器值保持不变。 当通道再次空闲时，退避计数器在原来计数值的基础上再次启动，当计数值减为零时节点发送数据。

图3 非持久性CSMA/CA流程图

3）冲突规避策略

CSMA/CA协议只能解决发送端数据冲突的问题，但在接收端仍然存在数据冲突的可能，即“隐藏节点”问题。 因此，系统引入了RTS/CTS/DATA/ACK握手机制。 具体过程如下：

(1) 从站向基站发送前，通过竞争获得信道使用权，然后向基站发送连接请求帧RTS(To Send)。

(2)基站收到从站的RTS帧后，向从站发送连接确认帧CTS(Clear To Send)，建立两者之间的通信连接。

(3)从站收到基站的CTS帧后，向基站发送数据帧DATA，如果没有收到CTS帧，则重新发送RTS帧。

(4)基站收到从站的DATA帧后，向从站发送数据确认帧ACK。

(5)从站收到基站的ACK帧后，整个通信过程结束，如果没有收到，则重新发送DATA。

图4 从机流程图

图5 基站流程图

4）差错控制

在差错控制方面，系统采用数据重传机制和自身CRC校验相结合的方式。 从站发送RTS或DATA后，若在一定时间内没有收到基站的CTS或ACK，则重发失败帧，直到收到回复或重传次数达到设定值。

此外，它还提供了对CRC校验的硬件支持，通过在RF配置寄存器中设置值来采用8位CRC校验。 当接收到的数据CRC校验错误时，会自动丢弃错误帧。

5）数据传输

系统有两种数据传输方式：点播和广播。 按需是指基站向指定的从站发送命令或从站向基站发送数据，是点对点通信。 广播是指基站向所有从站发送命令。 此时目的地址是一个统一的值，是点对多点的通信。

6) 通信框架

系统中有两种帧类型，分别是控制帧RTS、CTS、ACK和数据帧DATA。 其中，表示帧的开始； 源地址是发送设备的地址； 目标地址是接收设备的地址； 帧类型表示帧的功能； 有效数据为传输的具体内容； 结束码表示帧的结束。

2.2 OPC DA服务器

OPC技术是一种基于COM/DCOM/COM+技术，采用服务器/客户端模式的过程控制对象链接和嵌入技术。本系统针对智能照明控制系统的需要开发了专用的OPC DA服务器，设计如下

图6 OPC DA服务器结构图

1）OPC对象和接口

系统编写实现了OPC DA服务器的定制接口，采用E形式，以OPC3.0规范为标准，向下兼容OPC2.0版本。 系统的OPC对象和接口包括三个对象：OPC、OPC Group和OPC Item。

其中OPC和OPC Group是标准的COM对象路灯控制系统，服务器对象不支持聚合路灯控制系统，支持连接点机制。 组对象支持聚合、连接点机制。 item对象不是标准的COM对象，它是由一个类来描述的，item对象的属性和操作方法都定义在类中。

系统OPC对象实现的接口包括： , , , 和。 OPC Group对象实现的接口包括： , , , , , , 和。

2）服务器地址空间

系统的服务器地址空间由OPC服务器中所有可读写的数据项组成，根据实际情况预先设计，采用树形结构。 整个服务器地址空间使用自定义结构体数组存储，其结构体成员包括：节点唯一ID号、节点名称、父节点ID号、左子节点ID号和右兄弟节点的ID号。 最后，系统通过定义一个类来管理服务器地址空间。

3）硬件数据采集部分

OPC DA服务器通过RS232串口与无线网络中的基站相连。 本系统将串口通信相关的API函数封装在一个类中进行管理，并定义了一个属于该类的全局变量。 通过对该全局变量的读操作，将无线网络基站上传的设备信息写入服务器地址空间和对应的OPC Item。 OPC服务器收到控制命令后，会自动调用串口全局变量的write函数，将命令发送给无线网络中的基站，基站再将命令发送给具体的从站.

4）螺纹设计

图7 OPC DA服务器更新及事务处理流程图

系统的OPC服务器包括一个主线程和两个辅助线程。 主线程在服务器启动时自动创建，用于初始化COM库、建立消息循环和处理消息。 第一个辅助线程用于处理服务器数据更新和异步事务。 该线程周期性地更新每个OPC对象中所有组对象的数据项，同时执行异步操作事务，并将操作结果回调给客户端。

第二个辅助线程用于RS232串口监控。 当串口接收到数据时，会以消息的形式通知主线程，激发消息处理函数对数据进行处理，最后将处理后的数据写入服务器地址空间。 不同的线程通过临界区同步。

5）数据访问

本系统OPC服务器支持同步和异步数据访问方式，包括提供六种数据读取方式，其中::、::Read和::Read用于同步读取； ::Read、::用于异步读取； 并且当数据发生变化或调用异步刷新时，使用 ::.

本文由于无线网络中的基站会自动将设备的最新状态上传到OPC服务器中的服务器地址空间，所以所有的读操作都是直接读取OPC服务器中的内存数据。 OPC服务器有五种写数据的方式，其中同步写操作有：::Write、::和::； 异步写操作包括：::、::Write。 当用户发出指令时，OPC服务器通过调用RS232串口写入函数将指令发送到无线网络中的基站。

图8 异步读取数据流程图

图 9 同步写入数据流

3 智能照明控制系统模拟组网

本文利用并构成无线节点模拟建立智能照明控制系统，模拟LED灯的组合控制、PWM控制、时序控制等功能。

图10 模拟智能照明控制系统实物图

系统通过开发板上的LED灯模拟被控灯。 在温度控制方面，采用白炽灯接晶闸管BTA12-600和光耦隔离器模拟被控端。 从站单片机将灯管实际温度值与设定值进行比较，通过PID算法计算修正PWM占空比，调节灯管亮度。

最后，系统利用组态王软件开发用户界面。 在操作界面上，可以实时显示设备状态，可以对LED灯进行各种控制操作。 系统会记录各种操作的历史记录，同时可以利用组态王的Web功能，使用户可以随时随地通过/实现对设备的远程监控。

图 11 用户界面

测试平台的仿真结果表明，智能照明控制系统满足设计要求，具有良好的可扩展性。

部分程序代码：

uchar (void)//载波检测和退避机制

{

单元 s=1；

uchar i = 0;

uchar 跑 = 0;

=0；

对于（j=0；j

{

if((PIND&RF_CD)==0)//载波检测

{

srand(t);//随机值R

跑=（uchar）（rand（）%s）；

跑=跑*30； // D=R×2t

（跑）；

}

别的

{

小号=小号

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